供稿人：王迎鑫、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-07-04
金屬和高強(qiáng)樹(shù)脂的連接對(duì)于電子、汽車(chē)和航空航天工業(yè)的輕量化制造至關(guān)重要，晶格結(jié)構(gòu)可以使樹(shù)脂和金屬產(chǎn)生機(jī)械互鎖，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度接頭。增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛用于制傳統(tǒng)工藝下難以成型的復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，尤其是在輕量化制造領(lǐng)域。最近臺(tái)灣科技大學(xué)3D打印研究中心采用增材制造技術(shù)和注塑方法實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度的金屬和樹(shù)脂的機(jī)械互鎖。該技術(shù)的主要原理是首先通過(guò)選區(qū)激光融化(SLM)技術(shù)在金屬基板上生成了不同形狀和密度的晶格結(jié)構(gòu)，然后將熔融樹(shù)脂通過(guò)注塑方法注入晶格結(jié)構(gòu)并固化，形成互鎖的高強(qiáng)接頭。
圖1(a) 金屬基板上的單層5×5晶格結(jié)構(gòu)；(b) X、Y 方向的周期性邊界線(xiàn)；(c) 晶格結(jié)構(gòu)和金屬基板的 1×1 晶胞模型；(d) 為FEA模擬設(shè)計(jì)的單胞樹(shù)脂-晶格結(jié)合件。
為了探究不同晶格結(jié)構(gòu)下的失效模式，研究人員對(duì)不同密度，不同晶格形狀的連接件的拉伸力學(xué)性能，使用Abaqus軟件進(jìn)行了有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在較低密度的晶格結(jié)構(gòu)中, 晶格-樹(shù)脂互鎖區(qū)域的樹(shù)脂量較多, 樹(shù)脂能夠承受較大的應(yīng)力, 并能夠?qū)⑵鋺?yīng)力傳遞給金屬支柱晶格。
圖2(a) FEA預(yù)測(cè)不同晶胞樹(shù)脂-晶格樣品的粘合強(qiáng)度； (b) 不同樹(shù)脂-晶格樣品的實(shí)驗(yàn)拉力
3D打印晶格結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)金屬-樹(shù)脂結(jié)合件的性能，其連接界面的結(jié)合強(qiáng)度，與傳統(tǒng)刻蝕等連接方法相比，高出2~3倍。增材制造技術(shù)為制造幾微米到幾十微米的高幾何復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了更高的設(shè)計(jì)自由度，毫無(wú)疑問(wèn)，在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療和電子制造業(yè)等領(lǐng)域，輕質(zhì)高強(qiáng)的定制化結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。